有机合成心得(1) -引言

 

搞了十余年药物研发, 感觉最深刻的是关键要有一个灵活的头脑和丰富的有机合成知识, 灵 活的头脑是天生的, 丰富的有机合成知识是靠大量的阅读和高手交流得到的。二者缺一不可, 只有有机合成知识而没有灵活的头脑把知识灵活的应用, 充其量只是有机合成匠人, 成不了 高手, 也就没有创造性。只有灵活的头脑而没有知识,只能做无米之炊。一个有机合成高手 在头脑中掌握的有机化学反应最少应为 300个以上,并能灵活的加以运用,熟悉其中的原 理(机理) ,烂熟于胸,就像国学大师烂熟四书五经一样,看到了一个分子结构,稍加思索, 其合成路线应该马上在脑中浮现出来。

 

有机合成心得(2)-基本功的训练

 

每个行业都有自己的基本功,有机合成的基本功就是对有机化学反应的理解掌握与灵活运 用。那么对有机化学反应的理解掌握应从那方面入手?你在大学里学到的有机合成知识, 只 是入门的东西, 远远达不到高手的水平, 学了四年化学, 基本上不理解化学。遇到问题还是 束手无策, 不知从何处下手。这不是你的问题,而是大学教育体制的问题, 在大学阶段应该 打下坚实的基本功, 然后才能专, 而我们的大学在这方面还做的远远不够。下面我推荐几本 有机合成方面的书籍希望能够达到上述的目的:

 

有机化学反应的理解掌握方面的书籍:

 

1. March’s advanced organic chemistry.

 

2. Carey, F.A.; Sundberg, R.J.: Advanced organic chemistry.

 

3. Michael B. Smith: Organic synthesis.

 

4. Richard C. Larock: Comprehensive organic transformation.

 

5. 黄宪:新编有机合成化学

 

6. 李长轩:有机合成设计

 

前三本书是从机理方面来讨论有机合成的, 4、 5两本书是从官能团转变的角度讨论有机合 成的,第 6本书是讨论有机合成路线设计的。以上几本书应该随时放在自己的身边,作为 案头书。认真精读,达到记忆理解,把反应分类记忆理解,这时你可能感觉很枯燥乏味,不 要紧, 经过一段时间的合成研究再回过头来阅读, 就会感觉耳目一新, 有新的理解。掌握了 这几本书,可以说您已经打下了一定的有机合成基本功,这时你应该最少掌握 300个反应 了, 但并不意味者你已经成为了有机合成高手, 接下来你需要做的是将学到的有机合成知识 能够灵活运用,熟练的理解化学反应在什么情况下应用。

 

下面推荐的几本杂志,主要是关于如何运用有机化学反应的。

 

1. Organic synthesis (80vol.)

 

2. Organic Process Research & Development.

 

这是美国化学会出版的一本有机合成杂志, 主要讲述一些化工产品的工艺研究, 书中的反应 均用在大规模的制备上, 对产业化的研究很有帮助, 这些反应具有很强的实用性, 对理解化 学反应的应用很有帮助。

 

经过以上知识的训练, 你已经具备成为有机合成高手的潜力了, 接下来需要做的就是大量的 实践研究了,相信经过自己的努力和多年的实践, 多次的失败,吃的苦中苦,你就成为有机 合成高手了。

 

有机合成心得(3)-合成路线的选择

 

合成路线的设计与选择是有机合成中很重要的一个方面, 它反映了一个有机合成人员的基本功和知识的丰富性与灵活的头脑。一般情况下, 合成路线的选择与设计代表了一个人的合成 水平和素质。合理的合成路线能够很快的得到目标化合物, 而笨拙的合成路线虽然也能够最 终得到目标化合物, 但是付出的代价却是时间的浪费和合成成本的提高, 因此合成路线的选 择与设计是一个很关键的问题。

 

合成路线的选择与设计应该以得到目标化合物的目的为原则, 即如果得到的目标化合物是以 工业生产为目的, 则选择的合成路线应该以最低的合成成本为依据, 一般情况下, 简短的合 成路线应该反应总收率较高, 因而合成成本最低, 而长的合成路线总收率较低, 合成成本较 高,但是, 在有些情况下, 较长的合成路线由于每步反应都有较高的收率,且所用的试剂较 便宜, 因而合成成本反而较低, 而较短的合成路线由于每步反应收率较低, 所用试剂价格较 高,合成成本反而较高。所以, 如果以工业生产为目的, 则合成路线的选择与设计应该以计 算出的和实际结果得到的合成成本最低为原则。

 

如果得到的目标化合物是以发表论文为目的, 则合成路线的选择与设计则有不同的原则。设 计的路线应尽量具有创造性, 具有新的思想, 所用的试剂应该是新颖的, 反应条件是创新的, 这时考虑的主要问题不是合成成本的问题而合成中的创造性问题。

 

如果合成的是系列化合物, 则设计合成路线时, 应该共同的步骤越长越好, 每个化合物只是 在最后的合成步骤中不同, 则这样的合成路线是较合理的和高效率的, 可以在很短的时间内 得到大量目标化合物。

 

每个目标化合物的合成路线一般有多步反应, 为了避免杂质放大的问题, 最好的解决办法是 将合成路线一分为二, 转化为两个中间体, 最后将两个中间体通过一步反应组装起来得到目 标化合物。尽量避免连续反应只在最后一步得到产物。

 

有机合成心得(4)-有机反应的实质

 

有机合成的任务是运用已知的或可能的化学反应来形成 C-C 键或 C-杂键, 从而将两个或多 个分子或离子连接起来。

 

有机化学反应类型可分为三种:极性反应,协同反应,自由基反应,其中协同反应与自由基 反应又称为非极性反应。非极性反应可以采用 ‘ 一锅法 ’ 进行,而极性反应则需分步进行。因 为极性反应的条件比较苛刻(无水、惰性气体保护、强酸或强碱) ,而非极性反应的条件比 较温和。极性反应占 80%,非极性反应占 20%。

 

极性反应的实质就是分子中负电性的原子与正电性的原子的结合。所谓负电性与正电性都是 指广义而言的, 原子的负电性可以是负电荷, 也可以是孤电子对; 原子的正电性可以是正电 荷也可以是空轨道。负电性与正电性的密度越大, 反应活性越高, 但是高密度的负电性原子 通常与高密度的正电性原子结合, 低密度的负电性原子与低密度的正电性原子结合。如果分 子中同时存在两种相反电荷的原子则产生环合反应,如果分子中存在两种相同电荷的原子, 此时与另一分子中相反电荷的原子结合时就容易产生副反应, 通常密度较高电荷的原子先进 行反应。

 

因此, 在记忆化学反应时, 只需分清分子中那个原子是正电性的, 那个原子是负电性的就可 以了。不必去记忆什么人名反应来浪费记忆力,也不必对亲核、亲电反应的类型太在意。

 

所以, 学习化学反应时, 主要的任务就是了解各种正电性的基团和负电性的基团。这些正电 性的基团和负电性的基团称之为合成子。

 

有机合成心得(5)-后处理的问题

 

在有机合成中, 后处理的问题往往被大多数人所忽略, 认为只要找对了合成方法, 合成任务 就可以事半功倍了, 这话不错, 正确地合成方法固然重要, 但是有机合成的任务是拿到相当 纯的产品,任何反应没有 100%产率的,总要伴随或多或少的副反应,产生或多或少的杂 质, 反应完成后, 面临的巨大问题就是从反应混合体系中分离出纯的产品。后处理的目的就 是采用尽可能的办法来完成这一任务。

 

为什么对后处理的问题容易忽视呢?我们平时所看到的各种文献尤其是学术性的研究论文 对这一问题往往重视不够或者很轻视, 他们重视的往往是新的合成方法, 合成试剂等。专利 中对这一问题也是轻描淡写, 因为这涉及到商业利润问题。有机教科书中对这一问体更是没 有谈论到。只有参加过工业有机合成项目的人才能认识到这一问题的重要性, 有时反应做的 在好, 后处理产生问题得不到纯的产品, 企业损失往往巨大。这时才认识到有机合成不光是 合成方法的问题, 还涉及到许多方面的问题, 那一方面的问题考虑不周, 都有可能前功尽弃。

 

后处理问题从哪里可以学到?除了向有经验的科研人员多多请教外, 自己也应处处留心, 虽 说各种文献中涉及较少, 但是还有不少论文是涉及到的, 这就要求自己多思考,多整理,举 一反三。另外,在科研工作中,应注意吸取经验,多多磨练。

 

完成后处理问题的基本知识还是有机化合物的物理和化学性质, 后处理就是这些性质的具体 应用。当然, 首先要把反应做的很好, 尽量减少副反应的发生, 这样可以减轻后处理的压力。因此, 后处理还是考验一个人的基本功问题, 只有化学学好了才有可能出色的完成后处理任 务。

 

后处理根据反应的目的有不同的解决办法, 如果在实验室中, 只是为了发表论文, 得到纯化 合物的目的就是为了作各种光谱, 那么问题就简单了, 得到纯化合物的方法不外就是走柱子, TLC ,制备色谱等方法,不用考虑太多的问题,而且得到的化合物还比较纯;如果是为了工 业生产的目的, 则问题就复杂了, 尽量用简便、 成本低的方法, 实验室中的那一套就不行了, 如果您还是采用实验室中的方法则企业就亏损了。下面只简单的介绍一些工业中的方法。后处理过程的优劣检验标准是:(1)产品是否最大限度的回收了,并保证质量; (2)原料、 中间体、溶剂及有价值的副产物是否最大限度的得到了回收利用; (3)后处理步骤,无论 是工艺还是设备,是否足够简化; (4)三废量是否达到最小。

 

后处理的几个常用而实用的方法:

 

(1)有机酸碱性化合物的分离提纯

 

具有酸碱性基团的有机化合物, 可以得失质子形成离子化合物, 而离子化合物与原来的母体 化合物具有不同的物理化学性质。碱性化合物用有机酸或无机酸处理得到胺盐, 酸性化合物 用有机碱或无机碱处理得到钠盐或有机盐。根据有机化合物酸碱性的强弱, 有机、 无计酸碱 一般为甲酸、乙酸、盐酸、硫酸、磷酸。碱为三乙胺、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸 氢钠等。在一般情况下, 离子化合物在水中具有相当大的溶解性, 而在有机溶剂中溶解度很 小, 同时活性碳只能够吸附非离子型的杂质和色素。利用以上的这些性质可对酸碱性有机化 合物进行提纯。以上性质对所有酸碱性化合物并不通用, 一般情况下, 分子中酸碱性基团分 子量所占整个分子的分子量比例越大, 则离子化合物的水溶性就越大, 分子中含有的水溶性 基团例如羟基越多, 则水溶性越大, 因此,以上性质适用于小分子的酸碱化合物。对于大分 子的化合物,则水溶性就明显降低。

 

酸碱性基团包括氨基。酸性基团包括:酰氨基、羧基、酚羟基、磺酰氨基、硫酚基、 1, 3 -二羰基化合物等等。值得注意的是, 氨基化合物一般为碱性基团, 但是在连有强吸电子基 团时就变为酸性化合物, 例如酰氨基和磺酰氨基化合物, 这类化合物在氢氧化钠、 氢氧化钾 等碱作用下就容易失去质子而形成钠盐。

 

中合吸附法:

 

将酸碱性化合物转变为离子化合物, 使其溶于水, 用活性碳吸附杂质后过滤, 则除去了不含 酸碱性基团的杂质和机械杂质, 再加酸碱中合回母体分子状态, 这是回收和提纯酸碱性产品 的方法。由于活性碳不吸附离子,故有活性碳吸附造成的产品损失忽劣不计。

 

中和萃取法:

 

是工业过程和实验室中常见的方法, 它利用酸碱性有机化合物生成离子时溶于水而母体分子 状态溶于有机溶剂的特点, 通过加入酸碱使母体化合物生成离子溶于水实现相的转移而用非 水溶性的有机溶剂萃取非酸碱性杂质,使其溶于有机溶剂从而实现杂质与产物分离的方法。成盐法:

 

对于非水溶性的大分子有机离子化合物, 可使有机酸碱性化合物在有机溶剂中成盐析出结晶 来, 而非成盐的杂质依然留在有机溶剂中, 从而实现有机酸碱性化合物与非酸碱性杂质分离, 酸碱性有机杂质的分离可通过将析出的结晶再重结晶, 从而将酸碱性有机杂质分离。对于大 分子的有机酸碱化合物的盐此时还可以采用水洗涤除去小分子的酸碱化合物已经成盐且具 有水溶性的杂质。

 

对于水溶性的有机离子化合物, 可在水中成盐后, 将水用共沸蒸馏或直接蒸馏除去, 残余物 用有机溶剂充分洗涤几次,从而将杂质与产品分离。

 

以上三种方法并不是孤立的, 可根据化合物的性质和产品质量标准的要求, 采用相结合的方 法,尽量得到相当纯度的产品。

 

(2)几种特殊的有机萃取溶剂

 

正丁醇:大多数的小分子醇是水溶性的,例如甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇等。大多数的高 分子量醇是非水溶性的, 而是亲脂性的能够溶于有机溶剂。但是中间的醇类溶剂例如正丁醇 是一个很好的有机萃取溶剂。正丁醇本身不溶于水, 同时又具有小分子醇和大分子醇的共同 特点。它能够溶解一些能够用小分子醇溶解的极性化合物, 而同时又不溶于水。利用这个性 质可以采用正丁醇从水溶液中萃取极性的反应产物。

 

丁酮:性质介于小分子酮和大分子酮之间。不像丙酮能够溶于水, 丁酮不溶于水, 可用来从 水中萃取产物。

 

乙酸丁酯:性质介于小分子和大分子酯之间, 在水中的溶解度极小, 不像乙酸乙酯在水中有 一定的溶解度, 可从水中萃取有机化合物, 尤其是氨基酸的化合物, 因此在抗生素工业中常 用来萃取头孢、青霉素等大分子含氨基酸的化合物。

 

异丙醚与特丁基叔丁基醚:性质介于小分子和大分子醚之间, 两者的极性相对较小, 类似于 正己烷和石油醚, 二者在水中的溶解度较小。可用于极性非常小的分子的结晶溶剂和萃取溶 剂。也可用于极性较大的化合物的结晶和萃取溶剂。

 

(3)做完反应后,应该首先采用萃取的方法,首先除去一部分杂质,这是利用杂质与产物 在不同溶剂中的溶解度不同的性质。

 

(4)稀酸的水溶液洗去一部分碱性杂质。例如,反应物为碱性,而产物为中性,可用稀酸 洗去碱性反应物。例如胺基化合物的酰化反应。

 

(5)稀碱的水溶液洗去一部分酸性杂质。反应物为酸性,而产物为中性,可用稀碱洗去酸 性反应物。例如羧基化合物的酯化反应。

 

(6)用水洗去一部分水溶性杂质。例如,低级醇的酯化反应,可用水洗去水溶性的反应物 醇。

 

(7)如果产物要从水中结晶出来,且在水溶液中的溶解度又较大,可尝试加入氯化钠、氯 化铵等无机盐,降低产物在水溶液中的溶解度-盐析的方法。

 

(8)有时可用两种不互溶的有机溶剂作为萃取剂,例如反应在氯仿中进行,可用石油醚或 正己烷作为萃取剂来除去一部分极性小的杂质,反过来可用氯仿萃取来除去极性大的杂质。

 

(9) 两种互溶的溶剂有时加入另外一种物质可变的互不相容, 例如, 在水作溶剂的情况下, 反应完毕后,可往体系中加入无机盐氯化钠,氯化钾使水饱和,此时加入丙酮,乙醇,乙腈 等溶剂可将产物从水中提取出来。

 

(10)结晶与重结晶的方法

 

基本原理是利用相似相容原理。即极性强的化合物用极性溶剂重结晶, 极性弱的化合物用非 极性溶剂重结晶。对于较难结晶的化合物, 例如油状物、 胶状物等有时采用混合溶剂的方法, 但是混合溶剂的搭配很有学问,有时只能根据经验。一般采用极性溶剂与非极性溶剂搭配, 搭配的原则一般根据产物与杂质的极性大小来选择极性溶剂与非极性溶剂的比例。若产物极 性较大,杂质极性较小则溶剂中极性溶剂的比例大于非极性溶剂的比例;若产物极性较小, 杂质极性较大, 则溶剂中非极性溶剂的比例大于极性溶剂的比例。较常用的搭配有:醇-石 油醚, 丙酮-石油醚,醇-正己烷, 丙酮-正己烷等。但是如果产物很不纯或者杂质与产物 的性质及其相近, 得到纯化合物的代价就是多次的重结晶, 有时经多次也提不纯。这时一般 较难除去的杂质肯定与产物的性质与极性及其相近。除去杂质只能从反应上去考虑了。

 

(11)水蒸气蒸馏、减压蒸馏与精馏的方法

 

这是提纯低熔点化合物的常用方法。一般情况下, 减压蒸馏的回收率相应较低, 这是因为随 着产品的不断蒸出, 产品的浓度逐渐降低, 要保证产品的饱和蒸汽压等于外压, 必须不断提 高温度,以增加产品的饱和蒸汽压, 显然,温度不可能无限提高, 即产品的饱和蒸汽压不可 能为零, 也即产品不可能蒸净, 必有一定量的产品留在蒸馏设备内被设备内的难挥发组分溶 解,大量的斧残既是证明。

 

水蒸气蒸馏对可挥发的低熔点有机化合物来说, 有接近定量的回收率。这是因为在水蒸气蒸 馏时,斧内所有组分加上水的饱和蒸汽压之和等于外压,由于大量水的存在,其在 100℃ 时饱和蒸汽压已经达到外压,故在 100℃以下时,产品可随水蒸气全部蒸出,回收率接近 完全。对于有焦油的物系来说, 水蒸气蒸馏尤其适用。因为焦油对产品回收有两个负面影响:一是受平衡关系影响, 焦油能够溶解一部分产品使其不能蒸出来; 二是由于焦油的高沸点使 蒸馏时斧温过高从而使产品继续分解。,水蒸气蒸馏能够接近定量的从焦油中回收产品,又 在蒸馏过程中避免了产品过热聚合,收率较减压蒸馏提高 3-4%左右。虽然水蒸气蒸馏能 提高易挥发组分的回收率, 但是, 水蒸气蒸馏难于解决产物提纯问题, 因为挥发性的杂质随 同产品一同被蒸出来, 此时配以精馏的方法, 则不但保障了产品的回收率, 也保证了产品质 量。应该注意,水蒸气蒸馏只是共沸蒸馏的一个特例,当采用其它溶剂时也可。

 

共沸蒸馏不仅适用于产品分离过程, 也适用于反应物系的脱水、 溶剂的脱水、 产品的脱水等。它比分子筛、无机盐脱水工艺具有设备简单、操作容易、不消耗其它原材料等优点。例如:在生产氨噻肟酸时, 由于分子中存在几个极性的基团氨基、羧基等,它们能够和水、醇等分 子形成氢键, 使氨噻肟酸中存在大量的游离及氢键的水, 如采用一般的真空干燥等干燥方法, 不仅费时, 也容易造成产物的分解, 这时可采用共沸蒸馏的方法将水分子除去, 具体的操作 为将氨噻肟酸与甲醇在回流下搅拌几小时, 可将水分子除去, 而得到无水氨噻肟酸。又比如, 当分子中存在游离的或氢键的甲醇时,可用另外一种溶剂,例如正己烷、石油醚等等, 进行 回流,可除去甲醇。可见共沸蒸馏在有机合成的分离过程中占有重要的地位。

 

(12)超分子的方法,利用分子的识别性来提纯产物。

 

(13)脱色的方法

 

一般采用活性炭、硅胶、 氧化铝等。活性炭吸附非极性的化合物与小分子的化合物,硅胶与 氧化铝吸附极性强的与大分子的化合物, 例如焦油等。对于极性杂质与非极性杂质同时存在 的物系,应将两者同时结合起来。比较难脱色的物系,一般用硅胶和氧化铝就能脱去。对于 酸碱性化合物的脱色, 有时比较难, 当将酸性化合物用碱中和形成离子化合物而溶于水中进 行脱色时,除了在弱碱性条件下脱色一次除去碱性杂质外,还应将物系逐渐中和至弱酸性,再脱色一次除去酸性杂质, 这样就将色素能够完全脱去。同样当将碱性化合物用酸中和至弱 碱性溶于水进行脱色时, 除了在弱酸性条件下脱色一次除去酸性杂质外, 还应将物系逐渐中 和至弱碱性,再脱色一次除去碱性杂质。

 

有机合成心得(6)-合成工艺创新

 

合成工艺创新是有机合成中一个很重要得方面, 涉及到许多方面的问题, 本文只是从合成的 角度来探讨一下。好的合成工艺可以使一个频临灭绝的产品死而后生, 可以使一个频临倒闭 的化工企业死灰复燃, 可以是一个好的化工企业蒸蒸日上, 锦上添花。天药集团的地塞米松, 由于先进的工艺, 打败了罗氏公司, 使其退出中国市场。本人 1998年研发的头孢类中间体 AE-活性酯,成本降低 10万元,当时与人合伙办企业,投入市场时,所向披靡。现在因为 合作问题,企业散伙,技术已经泄密,技术已经在中国普及,而本人没有赚到钱。另外本人 目前研究的抗抑郁药氟西汀,度洛西汀工艺先进,相信投入市场会引起波澜。

 

最好的合成工艺创新, 应该首先从创造性地合成路线入手, 如果您研究的合成路线, 在国内 外没有报道,那么就是最先进的,如果成本很低,就会取得巨大的成功,相反,只是重复国 内外的文献,那么,你的工艺也就跟别人没啥两样,别人可能比你做的更好。遗憾的是,目 前国内的企业大多是重复国外的文献专利来组织开发生产的, 因此工艺没有创造性, 多家的 企业生产工艺雷同, 商场上互相压价,最后拼的个鱼死网破, 多败具伤。这样的企业没有前 途,只能一味的开发新的产品,起初市场很小时,利润较高,等到别人也开发成功时,利润 迅速降低,最后陷入恶性竞争。这是中国化工企业目前的状态。

 

怎样进行合成路线创新?首先, 进行详细的文献调研, 掌握文献中各种合成路线, 详细分析 每条路线的优缺点, 从而设想出自己的合成路线。第二, 参考同系列产品的合成路线, 有时, 可以从同系列产品的合成路线得到借鉴。第三, 搜索该产品的中间体, 就可知道目前国内外 的合成路线。这时就可以设计自己的新的合成路线了。第四, 在目前的合成路线基础上,进 行优化,改变价格高的原料为价格低的原料, 例如,如反应中用氢化钠作为碱,则可尝试采 用氢氧化钠,氢氧化钾等便宜的碱代替。第五,如果有一部反应的收率很低,那么该步反应 就是你的公关对象, 通过优化反应条件, 获得较高收率, 那你就取得了成功。当然这需要扎 实的基本功和成功地经验。平常多看一些合成路线的资料对你是很有帮助的。

 

有机合成心得(7)工艺优化方法学

 

1.合成工艺的优化主要就是反应选择性研究

 

有机合成工艺优化是物理化学与有机化学相结合的产物, 是用化学动力学的方法解决有机合 成的实际问题,是将化学动力学的基本概念转化为有机合成的实用技术。

 

首先分清三个基本概念转化率、 选择性、 收率。转化率是消耗的原料的摩尔数除于原料的初 始摩尔数。选择性为生成目标产物所消耗的原料摩尔数除于消耗的原料的摩尔数。收率为反 应生成目标产物所消耗的原料的摩尔数除于原料的初始摩尔数。可见, 收率为转化率与选择 性的乘积。可以这样理解这三个概念, 反应中消耗的原料一部分生成了目标产物, 一部分生 成了杂质, 为有效好的原料依然存在于反应体系中。生成目标产物的那部分原料与消耗的原 料之比为选择性,与初始原料之比为收率,消耗的原料与初始原料之比为转化率。

 

反应的目标是提高收率, 但是影响收率的因素较多, 使问题复杂化。化学动力学的研究目标 是提高选择性, 即尽量使消耗的原料转化为主产物。只有温度和浓度是影响选择性的主要因 素。在一定转化率下,主副产物之和是一个常数, 副产物减少必然带来主产物增加。提高转 化率可以采取延长反应时间, 升高温度, 增加反应物的浓度, 从反应体系中移出产物等措施。

 

而选择性虽只是温度和浓度的函数, 看似简单, 却远比转化率关系复杂。因此将研究复杂的 收率问题转化为研究选择性和转化率的问题,可简化研究过程。

 

2.选择性研究的主要影响因素

 

提高主反应的选择性就是抑制副反应, 副反应不外平行副反应和连串副反应两种类型。平行 副反应是指副反应与主反应同时进行, 一般消耗一种或几种相同的原料, 而连串副反应是指 主产物继续与某一组分进行反应。主副反应的竞争是主副反应速度的竞争, 反应速度取决于 反应的活化能和各反应组分的反应级数, 两个因素与温度和各组分的浓度有关。因此选择性 取决于温度效应和浓度效应。可是, 活化能与反应级数的绝对值很难确定。但是我们没有必 要知道它们的绝对值, 只需知道主副反应之间活化能的相对大小与主副反应对某一组分的反 应级数的相对大小就行了。我们知道, 升高温度有利于活化能高的反应, 降低温度有利于活 化能低的反应, 因此选择反应温度条件的理论依据是主副反应活化能的相对大小, 而不是绝 对大小。

 

(1)温度范围的选择:在两个反应温度下做同一合成实验时,可以根据监测主副产物的相 对含量来判断主副反应活化能的相对大小, 由此判断是低温还是高温有利于主反应, 从而缩 小了温度选择的范围。实际经验中, 一般采取极限温度的方式,低温和高温,再加上二者的 中间温度,可判断出反应温度对反应选择性的影响趋势。

 

(2)某一组分浓度的选择:在同一温度下(第一步已经选择好的温度下) ,将某一组分滴 加(此组分为低浓度,其他组分就是高浓度)或一次性加入(此组分为高浓度,其他组分就 是低浓度) 进行反应, 就可根据监测主副产物的相对含量来判断该组分是低浓度还是高浓度 有利于主反应。确定了某一组分的浓度影响, 接下来就是研究该组分的最佳配比问题。相同 的条件下,再确定其他组分浓度的影响。

 

3.定性反应产物

 

动力学研究方法要求副反应最小, 而其他方法要求主反应最大。因此研究反应的选择性, 搞 清副反应的产物结构是必要地前提。在条件允许的情况下, 应尽量分析反应混合物的全部组 分,包括主产物,各种副产物, 分析他们在气相色谱、液相色谱或薄层色谱上的相对位置和 相对大小。从而可以看出各组分的相对大小及各组分随温度和浓度条件不同的变化。对不同 的副反应采取不同的抑制方法。

 

(1)首先搞清反应过程中那些副产物生成; (2)重点找出含量较多的副产物的结构,因为 只有抑制了主要副反应,才能显著提高主反应的选择性; (3)根据主要副产物的结构,研 究其生成的机理,速度方程和对比选择性方程,并据此进行温度效应、浓度效应分析; (4) 由对比选择性方程确定部分工艺条件, 并据此设计获取活化能相对大小和反应级数相对高低 的试验方按。(5)也应该找出最难除去的杂质的结构,进行(3) , (4)的方法研究。

 

4.跟踪定量反应产物

 

在定分析的基础上, 对同一实验不同时刻各组分的含量进行跟踪测试, 根据跟踪测试结果认 识影响因素,再根据影响因素调整实验方按。

 

(1)可在同一实验中考察原料、中间体、产物,各副产物在不同条件下的变化趋势,从一 个实验中尽可能获取更多的信息,实验效率大大提高。

 

(2)根据实验过程中的新现象调整和修改预定方按,使每一具体实验的目标多元化,即可 使每一次实验的目的在实验中调整和增加,从而提高工作效率和研究开发进度。

 

(3)将不同时刻、不同组分的相对含量,整理成表格或曲线,从数据表或曲线中观察不同 组分的数量, 各组分在不同阶段依不同条件的变化趋势和变化率, 从而找出宏观动力学影响 因素,并根据这些因素去调整温度、浓度因素,以提高选择性。

 

这里的定量并非真正的含量,只是各组分的相对值。

 

5.分阶段研究反应过程和分离过程

 

大多数人习惯于每次实验部分都分离提纯产品并计算收率。然而, 除非简单的实验外这是不 科学的。

 

(1)研究开发的初始阶段,分离过程是不成熟的,很难估算分离过程损失,这样,所得产 品不能代表反应收率。

 

(2)实验的最终结果是反应过程与分离过程的总结果,影响因素太多,考察某一影响因素 太难。

 

(3)一个实验真正做到完成分离提纯的程度很难,往往后处理时间多于反应时间,若每个 实验都做到提纯分离,则工作效率降低。

 

(4)为降低科研费用,往往进行微量制备,而微量制备的实验几乎不能完成全过程。比如 精馏,没有一定数量就无法进行。

 

(5)反应过程中直接取反应液进行中控分析最接近于反应过程的在线测试,最能反映出过 程的实际状态,对于某一因素的变化的影响也最敏感,应用起来方便。

 

(6) 做好反应过程是分离过程研究的基础。副产物越少, 则分离过程越简单。

 

总之, 在研究开发的最初阶段, 应先回避分离过程而仅研究反应过程。可以在反应过程中得 到一系列的色谱分析谱图和定性分析结果,根据原料、中间体、产品、副产品出峰的相对大 小来初步定量, 根据不同反应温度条件下不同组分的消涨来判断活化能的相对大小; 根据副 产物结构机不同的加料方式引起的副产物的消涨来判断活性组分的反应级数的相对高低。从 理论到实践实现了动力学所要求的温度效应、 浓度效应, 再实现最大转化率, 最后研究分离 过程。这是一种循序渐进的、条理清晰的、理性的和简单化的工艺优化程序。

 

6.程序升温法确定温度范围

 

程序升温法是另一种反应温度的优化方法。其是在实验的最初阶段采用的。一般采用微量制 备,物料以满足分析测试即可。为使放热反应的温度可控制, 反应物料不必成比例 (一般使 某一种原料微量) 。

 

在跟踪测试的基础上, 采取程序升温大方法, 往往一次实验即可测得反应所适合的温度范围, 并可得到主反应与某一特定副反应活化能的相对大小和确认反应温度最佳控制条件。程序升 温过程如图所示。

 

在 T1 温度下反应一段时间,取样 a 分析;若未发生反应,则升温至 T2后反应一段时间后 取样 b 分析;若发现反应已经发生,但不完全,则此时应鉴别发生的是否是主反应;若在 温度 T2下先发生的是主反应,则继续取样 c 分析;若反应仍不完全,升温至 T3后反应一 段时间取样 d 分析;若仍不完全则升温至 T4,取样 e 分析,直至反应结束。

 

若样品 d 中无副产物, e 中有副产物, 则主反应的活化能小于副反应的活化能, 反应温度为 T4以下,再在 T3上下选择温控范围。

 

若样品 b 中发生的是副反应,则应立即升温,并适时补加原料,边升温边取样 f,g,h 等,直 至主反应发生。若主反应在较高温度时发生了,说明主反应的活化能大于副反应的活化能, 反应应避开较低温度段。此时的程序升温过程应在缺少易发生副反应的那种主原料下进行, 即预先加热反应底物至一定温度, 再滴加未加入的原料, 后滴加的原料用溶剂稀释效果更加。

 

可见, 一次程序升温过程便可基本搞清主副反应活化能的相对大小和反应温度控制的大致范 围,取得了事半功倍的效果。

 

在低温有利于主反应的过程中, 随着反应的进行, 反应物的浓度逐渐降低, 反应速度逐渐减 慢, 为保持一定的反应速度和转化率以保证生产能力, 就必须逐渐缓慢升温以加速化学反应的进行,直至转化率达到目标,这才实现最佳控制。

 

7.调节加料法

 

滴加的功能有两个, (1)对于放热反应,可减慢反应速度,使温度易于控制。(2) 控制反 应的选择性, 对每种原料都应采取是滴加还是一次性加入对反应选择性影响的研究。如果滴 加有利于选择性,则滴加时间越慢越好。如不利于选择性的提高,则改为一次性的加入。温度效应、 浓度效应对反应选择性的影响是个普遍存在的一般规律, 但在不同的具体实例中 体现出特殊性, 有时某一种效应更重要, 而另一种效应不显著。因此必须具体问题具体分析, 在普遍的理论原则指导下解决特殊的问题。

 

7.动力学方法的工艺优化次序

 

有了上面所述的方法,一般的工艺优化需要按以下的步骤进行。

 

(1)反应原料的选择

 

反应原料的选择除了考虑廉价易得的主要因素外,另一个必须考虑的因素是副产物的形成, 所用的原料应该尽可能以不过多产生副反应为准, 原料的活性应该适当, 活性高了相应的副 反应形成的速度也就加大了, 原料的反应点位应该尽可能少, 以防进行主反应的同时进行副 反应。以阿立哌唑的中间体合成为例。不同的原料产生不同的副反应从而形成不同的杂质, 原料的性质不同,产生杂质的数量也就不同。图 1 为 以 1, 4-二溴丁烷为原料反应形成 的杂质。在该实例中, a 是所需要的中间体,但因为 1, 4-二溴丁烷及另一原料的双重反 应部位,产生了大量的杂质,给后处理带来了极大的麻烦。因而是不合适的。但是如以 4 -溴丁醇为原料(图 2) ,则反应形成的杂质数量大大减少,给提纯及后续反应带来极大的 方便。可见原料的选择对抑制副反应也有者重要的作用。

 

(2)溶剂的选择:主要根据反应的性质和类型来考虑:非质子极性溶剂:乙腈、 N,N-二甲 基甲酰胺、丙酮、 N,N-二甲基乙酰胺、 N -甲基吡咯烷酮;质子极性溶剂:水、甲醇、乙 醇、异丙醇、正丁醇等;极性非常小的溶剂:石油醚、正己烷、乙酸乙酯、卤代烃类、芳香 烃类等。

 

(3)重复文献条件,对反应产物定性分析。

 

(4)变化反应温度确认主副反应活化能的相对大小并确定温度控制曲线。

 

(5)根据副产物的结构改变加料方式,以确定主副反应对某一组分的反应级数的相对大小 并确定原料的加料方式。此时反应选择性已达最佳。

 

(6)选择转化率的高低。力求转化完全或回收再用。此时反应收率最佳。

 

(7)选择简单的分离方式并使分离过程产物损失最小。此时优化的工艺大到了。

 

(8)酸碱强度的影响:强酸还是弱酸,强碱还是弱碱,有机酸还是有机碱。在质子性溶剂 中一般选择无机碱,因为此时无机碱一般溶于这类溶剂中使反应均相进行,例如氢氧化钠、 氢氧化钾溶于醇中, 但是弱无机碱碳酸钠等不容于该类溶剂, 须加入相转移催化剂; 在非质 子极性溶剂中一般选择有机碱,此时反应为均相反应,若选择无机碱一般不溶于该类溶剂, 也需加入加入相转移催化剂。

 

(9)催化剂的影响:相转移催化剂,无机盐,路易斯酸,路易斯碱。